基于激光傳感器的音頻信號處理系統

王曉蒙

(陜西交通職業技術學院 軌道交通學院， 陜西 西安 710018)

0 引言

隨著信號處理技術、聲音采集技術的不斷成熟，出現了許多音頻信號，相對于其他信號，音頻信號具有一定的優點，因此在許多領域得到了廣泛應用，如智能導航、語音識別、智能監測等[1-3]。在音頻信號的實際應用過程中，包括許多關鍵技術，如音頻信號的采集，音頻信號的識別等，因此設計性能優異的音頻信號處理系統一直是人們追求的目標，成為信號處理與分析領域中的研究熱點[4-6]。

近年來，眾多學者對音頻信號處理系統進行了深入研究，國外一些發達國家的音頻信號處理技術相當成熟，而國內的音頻信號處理研究相對較晚[7]，有學者提出了基于DSP的音頻信號處理系統[8]，該系統通過DSP搭建音頻信號處理平臺，但是該系統的音頻信號處理過程比較復雜，音頻信號處理時間長[9]；有學者提出了基于虛擬儀器技術的音頻信號處理系統[10]，采用虛擬儀器對音頻信號進行采集，然后通過一定技術對音頻信號進行識別和處理，該方法的音頻信號處理效率明顯提升，但是音頻信號處理誤差比較大，無法獲得理想的音頻信號處理結果[11]。

針對當前系統存在音頻信號處理誤差大、耗費時間長等不足，以提高音頻信息處理正確率，設計了基于激光傳感器的音頻信號處理系統，并與其他音頻信號處理系統進行了對比實驗，結果表明，本文系統是一種正確率高，實時性好的音頻信號處理系統。

1 激光傳感器的音頻信號處理系統的總體設計

1.1 音頻信號處理系統的總體框架

激光傳感器的音頻信號處理系統包括2個部分：硬件子系統和軟件子系統，其功能模塊劃分為：發射信號模塊、信號接收模塊、信號處理模塊、音頻放大模塊、音頻信號識別模塊和音頻信號輸出模塊。激光傳感器的音頻信號處理系統工作原理為：首先采用激光傳感器采集信號，并將信號發送到音頻信號處理模塊，然后在音頻信號處理模塊進行信號放大操作、分類識別，最后將音頻信號通過輸出模塊輸出，激光傳感器的音頻信號處理系統的總體框架如圖1所示。

圖1 激光傳感器的音頻信號處理框圖

1.2 音頻信號處理系統的總體方案

激光傳感器的音頻信號處理系統的核心為信號主控模塊，對系統中的其他模塊進行控制和協調，它們處于一種同步狀態。因此，系統的總體設計方案為激光傳感器負責接收和發射信號，信號經過音頻處理電路進行放大操作，信號主控模塊通過一定指令作用于系統的揚聲器，通過揚聲器輸出不同頻率的音頻，信號主控模塊周期性得到激光傳感器采集的信號，激光傳感器音頻信號接收模塊劃為7個通道，每一個通道表示一種音符，具體如表1所示。

表1 激光傳感器接收通道對應的音符

2 激光傳感器的音頻信號處理系統的詳細設計

2.1 音頻信號處理系統的硬件設計

2.1.1 音頻信號處理系統的主控制器

在音頻信號處理系統的主控制器中，主控制芯片為STM32F103C8T6，內核為采用嵌入技術的Cortex-M3，有多個引腳和接口，接口的類型包括外部終端接口和通信接口，主控制芯片的電壓低，這樣使得音頻信號處理系統的工作成本低，而且可以根據音頻信號處理系統的工作狀態進行智能電壓調節，保證主控制芯片長期處于一種穩定狀態，使得音頻信號處理系統的輸出更加可靠。

2.1.2 音頻信號采集的激光傳感器設計

本文設計的音頻信號處理系統與傳統音頻信號處理系統最大的區別是本文引入了激光傳感器進行音頻信號的采集，即負責音頻信號的接收和發送。激光傳感器的主要部分包括二極管、鏡頭、驅動電路，其中二極管的工作波長為405-1 550 nm，鏡頭通過光學原理改變發散角和光斑值，驅動電路主要負責電流和功率控制，電流控制單元保證輸入電流處于恒定范圍，功率控制可以智能、自適應地根據輸入電流調節輸出光功率。

激光傳感器音頻信號接收模塊劃為7個通道，每一個通道均有發射與接收功能，這樣構成了7個音符線路，在正常狀態下，激光傳感器的輸出電壓范圍為0-5 V，激光傳感器的接收光譜區間為400-1 000 nm，在非理想環境下，如室外含噪聲的場景下，需適當提高激光傳感器的功率，以提高音頻信號采集和輸出的穩定性。

2.1.3 音頻信號處理系統的聲音驅動模塊

音頻信號的聲音驅動模塊很重要，直接影響音頻信號的質量，由于有時音頻信號比較弱，因此聲音驅動電路通常包括一個音頻信號放大單元，負責將一個弱的音頻信號放大，并且使放大后的音頻不發生變形，該電路為TDA7297，TDA7297具體設置如表2所示。

表2 聲音驅動電路TDA7297的參數

TDA7297的兩個輸入端和主控制芯片相連接，同時其輸出端與揚聲器輸入端連接，揚聲器得到信號后，可以產生相應的音符。

2.2 音頻信號處理系統的軟件設計

軟件是音頻信號處理系統的靈魂，硬件需要有與其相應的軟件，才能夠得到比較理想的音頻信號處理結果。音頻信號處理系統的軟件主要包括主控制程序、信號采樣時延程序、信號周期采集定時器、音頻信號數模變換程序、音頻信號識別和分類程序和音頻信號輸出，還包括一些中斷子程序等。主程序主要負責寄存器地址、變量的初始化和各子程序之間的協調。

3 音頻信號處理系統的性能測試結果與分析

3.1 測試環境的設置

為了測試激光傳感器的音頻信號處理系統有效性，對其進行仿真測試。仿真測試實驗環境為：硬件為4核 Intel2.8 GHz的CPU，16 GB DDR2000的內存；軟件為Win 10操作系統，MATLAB 2019工具箱。音頻信號處理系統的相關參數設置如表3所示。

表3 音頻信號處理系統的相關參數設置

在相同仿真測試環境下，選擇基于DSP的音頻信號處理系統和基于虛擬儀器技術的音頻信號處理系統進行對比測試。

3.2 測試實驗對象

采用不同的音頻信號作為測試對象，音頻信號變化曲線具體如圖2所示。

圖2 音頻信號處理的實驗對象

選擇音頻信號處理的正確率和音頻信號處理時間作為實驗結果的評價標準。

3.3 結果與分析

3.3.1 不同系統的音頻信號處理結果對比

為了驗證音頻信號處理效果，每一種系統進行5次音頻信號處理實驗，統計不同系統的音頻信號處理正確率和誤差，結果分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同系統的音頻信號處理正確率

圖4 不同系統的音頻信號處理錯誤率

分析圖3和圖4的音頻信號處理結果可以發現，隨著迭代次數不斷增加，音頻處理正確率不斷增加，音頻信號處理誤差逐步下降；在相同的迭代次數時，本文系統的音頻處理正確率要高于兩種對比系統，減少了音頻信號處理誤差，獲得了更優的音頻信號處理結果。

3.3.2 不同系統的音頻信號處理實時性對比

為了進一步測試音頻信號處理系統的優越性，統計3種系統的音頻信號處理時間，結果如表4所示。對表4的音頻信號處理時間進行分析可以發現，相同實驗環境下，本文系統的音頻信號處理時間最少，而對比系統的音頻信號處理時間相對較長，本文系統提高了音頻信號處理速度，具有更好的音頻信號處理實時性。

表4 不同系統的音頻信號處理時間比較/s

4 總結

音頻信號處理系統直接影響音頻信號的質量，因此一直是人們關注的焦點。為了解決當前音頻信號處理系統存在的一些局限性，獲得更優的音頻信號處理結果，設計了基于激光傳感器的音頻信號處理系統。首先設計了音頻信號處理系統的總體結構，然后分別對系統的硬件和軟件部分進行設計，由于本文采用光傳感器采集音頻信號，加快了音頻信號采集速度，獲得的音頻信號處理結果要優于對比系統，具有更加廣泛的應用范圍。